渗氮工艺及材料的选择

渗氮(nitriding)在低于钢铁材料临界点Ac1基体不发生相变的前提下，将活性氮原子渗入制件表层的化学热处理工艺。以提高耐磨性、抗疲劳性能为目的的渗氮通常在500～570℃进行；以提高耐蚀性为目的的渗氮温度也不高于650℃。本法的优点是表面改性显著，且处理前后尺寸变化小，能保持制件的精度。除钢之外，球墨铸铁和钛合金制件亦可通过渗氮提高耐磨性和使用寿命。分类应用最广泛的是气体渗氮，其次为离子渗氮，盐浴渗氮(不包括兼有渗碳作用的氮碳共渗)和固体渗氮用户极少。气体渗氮常用的渗氮介质有氨、氨与氮、氨与氢、氨与预先在炉外分解的氨分解气的混合气。氨在300℃以上即发生显著的分解，故上述各种气体都是氨、氮与氢的混合气。混合气在钢件表面的催化作用下分解出活性氮原子，吸附并渗入钢件表层。介质的渗氮能力与氨分解程度有关。图1示出氨分解率对38CrMoAlA钢渗氮处理(24h)后渗层深度和硬度的影响。气体掺氮常用设备为RJJ系列井式电炉。密封加热罐常用1Cr18Ni9Ti不锈钢制造。此种密封罐的缺点是内壁对氨分解有触媒作用，使用过程中使氨分解率失去控制，影响渗氮质量。懈决这一问题的方法是在新罐使用前空载通入含硫气体(H2S或SO2)，或滴注CS2，于500～600C保持2～4h，或在800～860℃空载保温2～4h，可使罐内壁的催化作用大幅度下降。采用搪瓷渗氮罐代替不锈钢罐已进入工业实用阶段，后者色完全消除了罐壁的催化作用。气体渗氮温度因钢种、渗层深度、硬度和性能指标的不同要求在480～650℃之间选择。大多数钢种的渗氮件在520～560℃处理，保温时间主要取决于要求的渗层深度。离子渗氮以钟罩式炉壳为阳极，欲渗零件为阴极，置于真空度为130～1300Pa的含氮气氛中，在电场作用下两极问激发辉光放电，并将气体电离产生氮离子，由电场加速向阴极迁移、轰击，使之加热到480～560℃渗氮温度，将吸附的氮渗入工件。用作渗氮气氛的有氨、氮或氮与氢的混合气。与气体渗氮相比，离子渗氮具有下述优点：(1)扩散过程的速度提高30％～50％；(2)更好地控制渗层的成分和相组成物，如在10％NH3+90％Ar气氛中生成表面无氮化物(脆性)层的富氮扩散层；(3)因阴极溅射作用而降低了表面粗糙度；(4)缩短加热与冷却时间，缩短处理周期；(5)节约渗氮剂；(6)对环境无污染。离子渗氮工艺也存在一些缺点：带有深孔、小孔、盲孔、尖角的零件不能获得质量良好的渗层；电冈电压的波动影响处理质量的均一性。渗氮用钢以抗磨损、抗疲劳为主的渗氮件常用含0.15％～0.45％C的合金结构钢；用量最大的是含0.25％～0.40％c的铬钼铝钢、铬钼钢、铬镍钼钢、铬镍钨钢。以抗大气、雨水、水蒸气等介质腐蚀为主的渗氮件则常用低碳钢和中碳钢。模具钢、高速工具钢与不锈钢工件亦可采用渗氮作为提高耐用度的手段。表中列出部分常用渗氮钢的钢号及主要性能和用除．部分常用渗氮钢的钢号、主要性能和用途类别钢号渗氮后性能用途低碳钢08、10、15、20、A3、08AI、30抗大气与水等的腐蚀螺栓、螺母、销钉、把手中碳钢40、45、40Mrt、45Mn、耐磨、抗疲劳轴和中、轻载齿轮中碳合金钢38CrMoAlA、38Cr2MoAlA、35CrMo、35CrNiMo、42CrMo、40crNiMo、30Cr3WA、50CrVA、38CrWVAlA耐磨，抗疲劳性优良，可承受重载荷坦克、飞机、大型机床的主轴、镗杆、重载齿轮、丝杠、缸套模具钢Cr12MoV、Cr12Mo、4Cr5MoV1Si，3Cr2W8V、5CrNiMo5CrMnMo耐磨、抗热疲劳与冲击疲劳、型腔温度低于600℃保持高硬度冲模、拉伸模、压铸模、挤压模高速钢W6M05cr4V2耐磨及红硬性优良高速钢刀具不锈钢等高合金钢1Cr13、2Cr13、1Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9、25Crl8Ni8W2、45Crl4Nn4W2Mo、1Crl7Nil3M02Nb、3Cr19Ni9MoWNbTi耐磨性、红硬性及高温强度优良，600℃以下长期工作，多种介质中耐腐蚀纺纱机走丝槽、泵轴、叶轮、阀杆、腐蚀介质中工作的齿轮渗氮层的组织与性能典型的渗氮层由表及里分为两个次层：ξ单相次层和γ’复相次层。ξ化学式为(Fe，M)2-3N(M代表氮化物形成元素)，六方晶系，又称白亮层。γ’化学式为(Fe，M)2-3N，面心立方晶系，在渗氮钢原始组织的基础上以极细的尺寸分散地析出，光学金相观察为黑色层。γ’复相层中氮浓度的梯度大，又称氮扩散层。不同钢种制成的适于不同工况条件的渗氮件，要求的渗层组织有很大差别，如冷作模具和高速钢刀具不允许￡单相层厚度超过2μm，更不允许连成大片；而抗蚀渗氮则要获得10um以上厚度的ξ层，且尽可能形成完整的膜。与渗碳层相比，渗氮层的硬度高得多(碳素钢除外)，尤其含铝及多量钼、钨、铬、钒的钢，可达Hv1050～1300。由于表层强度高，加上渗氮处理在表层形成压应力，使45钢及38CrMoAlA、18cr2Ni4wA等钢渗氮件的抗疲劳强度比原始调质态提高20％～40％(光滑试样)或0.5～1.2倍(缺口试样)。高效渗氮新工艺在保证质量的前提下有效地缩短处理周期，是本领域当前最为关注的热点。能显著缩短气体渗氮周期的有效方法主要有：(1)采用新型渗氮钢。，TiN、ZrN和VN等氮化物弥散度高，在650℃以上才开始聚集，现已开发了30CrTi2、30CrTi2Ni3AlA等新钢种。这些钢可在600～650℃渗氮，600±10℃保温6h即可获得0.35mm以上的渗氮层(38CrMoAlA类的渗氮钢510℃获得相同厚度的渗层需时约20h)。(2)取消赶空气工序。传统的操作方法是先用氨气驱除密封罐中的空气，直至空气量达10％以下再开始升温。因为氨在207℃以上还原性比氢更强，故不必顾虑直接升温渗氮件的氧化。即使初始期于低温下有轻微氧化，也会在达到渗氮温度之前被还原。取消通氨赶空气工序既缩短了渗氮周期，又节约大量氨。(3)采用组合型渗氮介质。以氨为单一渗剂时渗氮速率不高。氨与氮、氨与氢或由氨、氢、氮混合的气氛，都不同程度地提高渗氮速率。例如，使用30％NH370N2气氛，38CrMoAlA钢的渗氮速率约为纯氨的2倍。(4)采用循环两段渗氮法。进行3～4个周期的短期两段渗氮。每一周期前段采用15％～35％的氨分解率，在520±10℃渗氮，使表面氮含量提高。待气氛与表面逐渐达到氮的吸收与扩散的亚平衡时，转入第二阶段，即升温至560±10℃(30CrTi2升至630±10℃)，并将氨分解率增至50％～70％，强化氮的扩散。如此循环能充分利用强渗与扩散的高效率阶段，使渗氮处理时间大为缩短。采用微处理机控制，便于调控各阶段的温度、保温时间和氨分解率。以上4种方法迭加效果更佳，旨在获得深度达0.5mm以上渗氮层的处理周期可望大大缩短。这些方法不仅适于气体渗氮，也适于离子渗氮等工艺。